层状弯曲效应在珠光体钢丝中实现了卓越的低温强度与延展性的协同作用

《ACTA MATERIALIA》：Lamellar kinking mediates exceptional cryogenic strength-ductility synergy in pearlitic steel wires

　　

Jin-Xi Chen|Fu-Hua Cao|Jun-Xiao Xu|Ling-Na Liu|Yuan-Yuan Tan|Kun-Hao Zhang|Bin Xu|Zi-Zhu Wang|Lan-Hong Dai|Yan Chen

摘要

低温脆性长期以来一直是大多数体心立方（BCC）结构金属合金面临的关键挑战，这一现象归因于变形机制的缺乏。在这项研究中，即使在液氮温度下，具有层状结构的珠光体钢丝也展现了出色的机械性能，这些层状结构由交替的BCC铁素体和渗碳体组成，从而克服了低温脆性和强度-延展性的矛盾。深入的微观结构分析表明，在拉拔和退火后的钢丝中，层状结构的弯曲现象及其多样的形态特征在低温变形过程中起到了关键的中介作用。分子动力学模拟显示，随着温度的降低，铁素体中的主要滑移系从{112}<111>转变为{110}<111>。然而，在液氮温度下，强烈的<110>纤维织构严重限制了可用的滑移方式，导致原子运动高度有序化并产生严重的剪切应力集中。为了解决这一问题并维持滑移，微小的结构旋转被激活，并逐渐发展成微米级的层状弯曲。值得注意的是，这种不连续的层状结构不仅提供了更多的位错滑移通道，而且更容易发生弯曲。为了使弯曲作用得以发生，纳米级的渗碳体层必须具备足够的低温变形能力，这一点在实验中得到了首次验证。严重的非均匀塑性变形促进了相界处几何必要位错的快速积累，从而显著增强了加工硬化能力。此外，沿层状方向频繁但分散的层状剥离现象减少了横向灾难性裂纹扩展的驱动力，进一步提高了低温延展性。我们的发现为理解珠光体钢丝的低温行为以及设计先进的金属丝提供了新的见解。